喷丸强化的机理

在结构设计合理的前提下，各种零部件的使用寿命主要【mìng zhǔ yào】取决于它的疲【tā de pí】劳强度。而零部【ér líng bù】件疲劳【jiàn pí láo】断裂【duàn liè】（高周或低周疲【dī zhōu pí】劳）的疲劳源绝大【yuán jué dà】多数情况下萌生于表面【miàn】。因此，金属材料或零件的疲劳断裂【láo duàn liè】抗力（Fatigue fracture resistance）首先取决于表【jué yú biǎo】面状态【miàn zhuàng tài】。表面【miàn】喷丸强化就是目前行之有效【yǒu xiào】、应用广泛的表面处理【miàn chù lǐ】方法。

喷丸后零件表面状态【miàn zhuàng tài】对强化的作用应该从以下三方面考【fāng miàn kǎo】量【liàng】：

第【dì】①，宏观的表面纹理和粗糙度（Surface roughness）。表征表面粗糙度的参量【liàng】Ra值越大，则材料/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力【liè kàng lì】越低【yuè dī】；在Ra值较大【zhí jiào dà】的情况下，其纹理方向性越强【yuè qiáng】、纹理方向与受力方向夹角越【jiá jiǎo yuè】大，则材料/零件的疲劳断【pí láo duàn】裂抗力【liè kàng lì】亦越低【yì yuè dī】。

第②，表面的【biǎo miàn de】微观组【wēi guān zǔ】织结构（Microstructure）。在喷射丸粒的【wán lì de】密集撞击作用【jī zuò yòng】下，表面的【biǎo miàn de】微观组【wēi guān zǔ】织结构必然发【bì rán fā】生剧烈变化，使之与【shǐ zhī yǔ】材料内【cái liào nèi】部不同。这里包括晶格【kuò jīng gé】滑移、点阵畸【diǎn zhèn jī】变、位错增生、位错包的形成，甚至还可能【hái kě néng】包括相变【kuò xiàng biàn】（例如残余奥氏体因形【tǐ yīn xíng】变而转变为马氏体），还可能【hái kě néng】引起表层的合【céng de hé】金元素贫化【pín huà】（Delution of alloying element）或外部元素的渗入（Penetration of external）等等。在X射线衍【shè xiàn yǎn】射分析中，晶体滑移、点阵畸【diǎn zhèn jī】变、位错增生均会【shēng jun1 huì】引起衍【yǐn qǐ yǎn】射峰的宽化和【kuān huà hé】弥射化，表征这一现象【yī xiàn xiàng】的参数是衍射【shì yǎn shè】峰半高宽B。研究表明【míng】，微观组【wēi guān zǔ】织结构的变化【de biàn huà】对材料或零件的疲劳断裂抗力有着显着的【xiǎn zhe de】影响。

第③，表面塑【biǎo miàn sù】性变形【xìng biàn xíng】（Plastic deformed structure）导致表层晶格发生统计的倾【jì de qīng】向性弹性应变【xìng yīng biàn】，从而产生宏观内应力，即残余应力（Residual stress）。在X射线衍【shè xiàn yǎn】射分析中，残余应力会引起衍射【qǐ yǎn shè】峰的偏移【yí】。研究表明，在大部【zài dà bù】分情况下【xià】，适当的【shì dāng de】残余压应力是提高零件疲劳强度的【qiáng dù de】主要因素，而它的大小和沿层深【yán céng shēn】分布状【fèn bù zhuàng】况，对材料【duì cái liào】或零件的疲劳【de pí láo】断裂抗力有决定性的影响。

因此，对喷丸【duì pēn wán】强化的材料和【cái liào hé】零部件【líng bù jiàn】进行X射线衍射分析，测定残【cè dìng cán】余应力及其沿【jí qí yán】层深的分布，同时读取半高【qǔ bàn gāo】宽B的变化，是检验、评价和分析喷丸强化工艺效【gōng yì xiào】果不可或缺的【huò quē de】手段、

1.X射线残余应力分析的原理与方法

测量原理基于X射线衍射理论。

当一束具有一定波长【bō zhǎng】λ的【de】X射线照【shè xiàn zhào】射到多晶体上【jīng tǐ shàng】时【shí】，会在一定的角【dìng de jiǎo】度2θ上接收到反射的【de】X射线强度极大【dù jí dà】值（即所谓【jí suǒ wèi】衍射峰），这便是X射线衍【shè xiàn yǎn】射现象（如图3所示）。X射线的【shè xiàn de】波长【bō zhǎng】λ、衍射镜【yǎn shè jìng】面间距d和衍射角2λ之间遵从注明的【de】布拉格定律：

2d  Sinθ = n λ（n = 1,2,3...）

在已知X射线波长【zhǎng】λ的条件【de tiáo jiàn】下【xià】，布拉格定律把宏观上可以测量的衍【liàng de yǎn】射角【shè jiǎo】2θ与微观的晶面间距【jiān jù】d建立起确定的关系。

X射线应【shè xiàn yīng】力测定基本的【de】思路是【sī lù shì】把与宏【bǎ yǔ hóng】观应力σ对应的【de】宏观应变【biàn】ε看成是【kàn chéng shì】相应范围内晶格应变【biàn】的【de】统计效应【xiào yīng】；而晶格应变【biàn】即晶面间距【jù】d的【de】相对变【biàn】化Δd/d，可以根据布拉格定律，通过衍射实验求出。这是俄国学者【guó xué zhě】阿克先诺夫（Akcehob）于1929年提出的【de】。又经历了三四十年，德国学【dé guó xué】者E·马赫【hè】劳赫【hè】（E.Macherauch）提出sin2ψ法，才把这【cái bǎ zhè】一思路变成成【biàn chéng chéng】熟的【shú de】、可操作【kě cāo zuò】的【de】测试方法。

对于晶【duì yú jīng】粒细小，无织构的多晶材料，在一束X射线照射范围【shè fàn wéi】里会有许许多多晶粒，它们的【tā men de】结晶学方向是充分紊乱的，所选的【suǒ xuǎn de】的（hkl）晶面处【jīng miàn chù】于空间任何方【rèn hé fāng】向的机【xiàng de jī】会均等【huì jun1 děng】；但是在材料中存在应力【lì】σ的情况下，处于不【chù yú bú】同方向的（hkl）晶面，其晶面【qí jīng miàn】间距d会有所【huì yǒu suǒ】变化；如果在不同方向上作得的衍射角【shè jiǎo】2θ也会随之而变【zhī ér biàn】。令衍射晶面法线与试样表面法线之夹角为【jiá jiǎo wéi】ψ，根据弹【gēn jù dàn】性理论【xìng lǐ lùn】和布拉格定律，可以推导出：

σ = K·M

M = ∂2θ/∂sin2ψ

式中K为应力常数，

K = -E/2(1+μ) · cot θ0 · π/180

式中σ为应力【wéi yīng lì】值，K为应力【wéi yīng lì】常数，2θ为对应【wéi duì yīng】于各【yú gè】ψ角的衍射角测【shè jiǎo cè】量值，M即2θ对sin2ψ

的变化斜率（如图4所示），由布拉格定律可知它【kě zhī tā】反映的【fǎn yìng de】就是晶面间距【miàn jiān jù】d随衍射晶面方位角【wèi jiǎo】ψ的变化趋势和【qū shì hé】急缓程【jí huǎn chéng】度。在图4中【zhōng】2θ随sin2ψ增大而【zēng dà ér】增大，说明d随之减小【xiǎo】，显然是压应力。

这样看【zhè yàng kàn】来【lái】，X射线应力测定的实质【de shí zhì】任务就是选定若干个ψ角，测定它【cè dìng tā】所对应的衍射【de yǎn shè】角2θ，然后计【rán hòu jì】算【suàn】2θ对sin2ψ的斜率M，再乘以应力常数K即应力值σ。

2.X-350A型X射线应力测定仪的功【yí de gōng】能特点【néng tè diǎn】

3.X射线应力测定方法分为同倾法和侧倾法，侧倾法比同倾法具有无可比【wú kě bǐ】拟的优越性；从另一【cóng lìng yī】角度分【jiǎo dù fèn】类又分【lèi yòu fèn】为固定ψ0 法和固定ψ法，后者又【hòu zhě yòu】因原理【yīn yuán lǐ】准确实【zhǔn què shí】用效果好而优【hǎo ér yōu】于前者。更具魅力的是将此二【jiāng cǐ èr】优结合【yōu jié hé】起来，即在侧倾的条【qīng de tiáo】件下实施固定ψ法便会【fǎ biàn huì】产生喜人的新特点——吸收因子恒等于1。这就是说，不论衍射峰是否漫散，它的背底都不会倾斜，峰形基本对称，而且在【ér qiě zài】无织构的情况下峰形【xià fēng xíng】及强度【jí qiáng dù】不随【bú suí】ψ角的改变而变化（如图5所示【suǒ shì】）。显然这【xiǎn rán zhè】个特点【gè tè diǎn】对提高【duì tí gāo】测量精度是十分有利的。所以行家们一【jiā men yī】致认为【zhì rèn wéi】侧倾固【cè qīng gù】定ψ法是理想的测【xiǎng de cè】量方法。

X-350A型X射线应力测定仪（图【tú】6），以θ-θ扫描【sǎo miáo】ψ测角仪为主要【wéi zhǔ yào】特征【tè zhēng】，完美地实现侧【shí xiàn cè】倾固定【qīng gù dìng】ψ法，其功能特点如下：

（1）X-350A型仪器的测角仪以其独特的构思和巧妙的设计，使【shǐ】得在2θ平面上的X光管和探测器同时等【tóng shí děng】速相对【sù xiàng duì】而行，严格满【yán gé mǎn】足固定【zú gù dìng】ψ法的几何要素【hé yào sù】；另外又使【shǐ】2θ平面与ψ平面相互独立并始终处于相互垂直【hù chuí zhí】状态，这样便准确无误地实【wù dì shí】现了侧倾固定【qīng gù dìng】ψ法，同时保持结构简洁灵【jiǎn jié líng】活轻便【huó qīng biàn】的特点【de tè diǎn】。

（2）2θ扫描范围：120°—170°，测定应力既可利用高衍射角又可利【yòu kě lì】用低衍【yòng dī yǎn】射角。这样，除适用于铁素体型钢和铸铁【hé zhù tiě】材料之【cái liào zhī】外，还为奥氏体不锈钢、铝合金【lǚ hé jīn】、钛合金、铜合金【tóng hé jīn】以及高温合金【wēn hé jīn】、硬质合金等材【jīn děng cái】料的应【liào de yīng】力测定带来方便并可【biàn bìng kě】提高测量精度、侧倾固【cè qīng gù】定ψ法另一【fǎ lìng yī】特点是【tè diǎn shì】对于各种形状的零部件有更好的适应性。

（3）该仪器【gāi yí qì】测角仪【cè jiǎo yí】的衍射几何为【jǐ hé wéi】聚焦发。如图【rú tú】7所示【suǒ shì】。在【zài】X射线管和【hé】X射线探测器以【cè qì yǐ】θ-θ方式沿测角仪【cè jiǎo yí】圆扫描过程中，X光源点、试样上被照射点和探【diǎn hé tàn】测器接【cè qì jiē】受点，三者随时同处在【zài】一个聚焦圆上，当然，随着扫【suí zhe sǎo】描过程，聚焦圆的大小【de dà xiǎo】是逐步变化的。聚焦法【jù jiāo fǎ】的优点是从一个点光源发射出来的【chū lái de】X射线，照射到被测工【bèi cè gōng】件的一定区域，反射线会准确地聚焦到探测器的窗口【kǒu】，衍射线【yǎn shè xiàn】能量集中，测试精度高。

（4）测定【cè dìng】残余奥氏【yú ào shì】体含量方便、快捷【kuài jié】、准确【zhǔn què】。该仪器2θ扫描范围【wéi】120°—170°，故而在一次扫描中可【miáo zhōng kě】以得到【yǐ dé dào】αFe（211）、γFe（220）两个完整的衍【zhěng de yǎn】射峰，无需另【wú xū lìng】外安装延长扫描范围【wéi】的附件，亦无须在测试过程中人为移动探测【dòng tàn cè】器的位置或【zhì huò】X射线入设方向【shè fāng xiàng】。而且可【ér qiě kě】以针对同一测试点取不同的φ角、ψ角进行测定【cè dìng】，以便探测织构的影响【de yǐng xiǎng】。必要时，可以做【kě yǐ zuò】到残奥含量和残余应【cán yú yīng】力同时【lì tóng shí】测定【cè dìng】，亦即一次测量得到残【dé dào cán】奥含量和残余应【cán yú yīng】力两项数据。这些都【zhè xiē dōu】是该仪器独有的功能，对于各【duì yú gè】种实体工件具有可贵的实用价值。

（5）支架与测角仪【cè jiǎo yí】之间装【zhī jiān zhuāng】备了针【bèi le zhēn】对同一测试点阻焊φ角的连接机构【jiē jī gòu】，因此可【yīn cǐ kě】测定主应力【yīng lì】的大小及其方向，并可测定剪切应力【yīng lì】。

（6）采用十字激光【zì jī guāng】和点状激光相配合构成的激光定位器，使得确定测试【dìng cè shì】点的位【diǎn de wèi】置、校准照【xiào zhǔn zhào】射距离和垂直【hé chuí zhí】度，准确快捷而方【jié ér fāng】便【biàn】，能够明确指示测点位置和待测应力的方向【de fāng xiàng】。